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光伏发电原理及应用领域探析【摘要】目前我国发电一般采用火力发电、水力发电、核能发电及新能源发电四种形式，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物能源的减少，相信总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。【关键词】光伏发电；原理；特点；应用1.光伏发电的基本原理光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单环保晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。1.1太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用是：光伏电池：光电转换。控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。1.2太阳能光伏电池板太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响P-N结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前光电转换的效率，大约是光伏电池效率大约是单晶硅13%-15%，多晶硅11%-13%。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。很久以前法国物理学家A.E.Becquerel在实验室中发现液体的光生伏特效应（由光照射在液体蓄电池的金属电极板上使得蓄电池电路中的伏特表产生微弱变化）至今，在所有能找到的材料中，由单晶硅做成的P-N结光伏电池是光电转换效率最高的材料。1.3太阳能光伏发电系统的分类目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。（1）离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。（2）光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。（3）A，B两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。2.光伏发电的特点与常用的火力发电统相比，光伏发电的优点主要体现在：（1）无枯竭危险。（2）安全可靠（并网电压一般在220V以下），无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）。（3）不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势（资源的充足性及潜在的经济性等，例如：无电地区，以及地形复杂地区）。（4）无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电。（5）能源质量高。（6）使用者从感情上容易接受，实用性强。（7）建设周期短，获取能源花费的时间短且使用寿命长，具有免维护性。缺点：（1）照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积。（2）获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。（3）发电成本高。（4）光伏板制造过程中不环保。3.光伏发电的应用领域（1）用户太阳能电源：1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。（2）交通领域如航标灯、交通、铁路信号灯、交通警示标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路、铁路无线）通讯通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播、通讯、寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。（4）石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象、水文观测设备等。（5）家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、节能灯等。（6）光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。（7）太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。（8）其他领域包括：1）与汽车配套：太阳能汽车、电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；3）海水淡化设备供电；4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。4.结束语目前，随着世界能源的紧缺，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如：通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。但通过综合分析，由于光伏并网发电先天的局限性，它给电网带来的影响是显而易见的。光伏并网发电远期定位只能作为电网节能降耗的重要补充手段。任何先进的技术，进入商业使用的必要条件是价格能为市场所接受。如果使用成本太高，再好的技术必将只能停留在试验室中或者示范工程阶段。因此，降低成本是光伏发电的一项首要任务，大幅提高光伏发电的效率也是降低其成本的一个重要途径。■
